Schnellladung des Lithium-Akkus

Leihen Sie diese Abbildung aus, um den Ladevorgang der Batterie zu veranschaulichen. Die Abszisse ist die Zeit und die Ordinate ist die Spannung. Zu Beginn des Ladens der Lithiumbatterie wird ein kleiner Stromvorladevorgang durchgeführt, dh das CC-Vorladen dient dazu, die positiven und negativen Materialien zu stabilisieren. Nachdem der Batteriezustand stabil ist, kann er auf Hochstromladung, dh CC-Schnellladung, eingestellt werden. Rufen Sie abschließend den Konstantspannungs-Lademodus (CV) auf. Bei Lithiumbatterien startet das System den Konstantspannungslademodus, nachdem festgestellt wurde, dass die Spannung 4,2 V erreicht, der Ladestrom allmählich verringert wird und der Ladevorgang endet, wenn er unter einem bestimmten Wert liegt.

Während des gesamten Prozesses haben verschiedene Batterien unterschiedliche Standardladeströme. Beispielsweise beträgt der Batteriestandard für 3C-Produkte im Allgemeinen 0,1 ° C bis 0,5 ° C, und für Hochleistungsbatterien beträgt die Standardladung im Allgemeinen 1 ° C. Die Wahl eines niedrigeren Ladestroms berücksichtigt auch die Sicherheit der Batterie. Daher bezieht sich das übliche Schnellladen auf den Ladestrom, der um ein Vielfaches bis Zehnfaches höher ist als der Standardladestrom.

Einige Leute sagen, dass das Laden einer Lithiumbatterie wie das Eingießen von Bier ist. Es ist schnell und füllt sich mit Bier, aber es hat viel Schaum. Das Gießen ist langsam und langsam, aber es gibt viel Bier, was sehr real ist. Das schnelle Laden spart zwar Ladezeit, führt jedoch auch zu einer größeren Beschädigung des Akkus. Aufgrund des Polarisationsphänomens in der Batterie nimmt der maximale Ladestrom, den sie aufnehmen kann, mit zunehmendem Lade- und Entladezyklus ab. Wenn die Ladung fortgesetzt wird und der Ladestrom groß ist, nimmt die Ionenkonzentration an der Elektrode zu und die Polarisation nimmt zu. Die Klemmenspannung kann nicht direkt linear proportional zur geladenen Leistung / Energie sein. Gleichzeitig erhöht die Erhöhung des Innenwiderstands beim Laden mit hohem Strom den Joule-Erwärmungseffekt (Q=I2Rt) und verursacht Nebenreaktionen wie die Reaktionszersetzung des Elektrolyten, die Gasproduktion und eine Reihe von Problemen. Der Risikofaktor steigt plötzlich an, was die Sicherheit der Batterie beeinträchtigt. Einfluss, die Lebensdauer von Batterien ohne Strom wird zwangsläufig erheblich verkürzt.

01 Kathodenmaterial

Der Prozess des schnellen Ladens von Lithiumbatterien ist der Prozess der schnellen Migration von Li + im positiven Elektrodenmaterial in die negative Elektrode. Die Partikelgröße des positiven Elektrodenmaterials kann die Reaktionszeit des elektrochemischen Batterieprozesses, den Diffusionsweg von Ionen usw. beeinflussen. Untersuchungen zufolge nimmt der Diffusionskoeffizient von Lithiumionen mit abnehmender Korngröße des Materials zu. Wenn jedoch die Partikelgröße des Materials abnimmt, kommt es zu einer ernsthaften Partikelagglomeration bei der Herstellung von Zellstoff, was zu einer ungleichmäßigen Dispersion führt. Gleichzeitig verringern die Nanopartikel die Verdichtungsdichte der Polstücke und berühren den Elektrolyten während des Lade- und Entladevorgangs. Die Fläche vergrößert sich und Nebenreaktionen beeinträchtigen die Leistung der Batterie.

Eine zuverlässigere Methode besteht darin, das positive Elektrodenmaterial zu beschichten und zu modifizieren. Beispielsweise ist die Leitfähigkeit von LFP selbst nicht sehr gut. Nachdem die Oberfläche mit Kohlenstoffmaterial oder anderen Materialien beschichtet wurde, kann ihre Leitfähigkeit verbessert werden, was vorteilhaft ist, um das schnelle Laden der Batterie zu verbessern. Performance.

02 Anodenmaterial

Schnelles Laden von Lithiumbatterien bedeutet, dass Lithiumionen schnell extrahiert werden und&"schwimmendes GG"; zur negativen Elektrode. Zu diesem Zeitpunkt muss das negative Elektrodenmaterial die Fähigkeit haben, Lithium schnell einzuführen. Die Anodenmaterialien, die zum schnellen Laden von Lithiumbatterien verwendet werden, umfassen Kohlenstoffmaterialien, Lithiumtitanat und andere neue Materialien.

Da bei Kohlenstoffmaterialien das Potential der Lithiuminsertion dem Potential der Lithiumausfällung ähnlich ist, werden im Falle einer herkömmlichen Aufladung Lithiumionen im Allgemeinen bevorzugt in Graphit eingefügt, aber unter Bedingungen einer schnellen Aufladung oder niedriger Temperatur können Lithiumionen auf dem ausfallen Oberfläche, um dendritisches Lithium zu bilden. Dendritenlithium durchdringt den SEI, verursacht einen sekundären Verlust von Li + und verringert die Batteriekapazität. Wenn das Lithiummetall eine bestimmte Menge erreicht, wächst es von der negativen Elektrode zum Separator und es besteht die Gefahr eines Kurzschlusses der Batterie.

Für LTO ist es ein&"Zero Strain GG"; sauerstoffhaltiges negatives Elektrodenmaterial, das bei arbeitender Batterie keinen SEI erzeugt und eine stärkere Bindungskapazität mit Lithiumionen aufweist, die die Anforderungen an schnelles Laden und schnelles Entladen erfüllen kann. Gleichzeitig, gerade weil der SEI nicht gebildet werden kann, berührt das negative Elektrodenmaterial direkt den Elektrolyten, was das Auftreten von Nebenreaktionen fördert. Das Gasproduktionsproblem von LTO-Batterien kann nicht lange gelöst werden und kann nur durch Oberflächenmodifikation gelindert werden.

03 Elektrodenlösung

Wie bereits erwähnt, weist die Batterie aufgrund der Inkonsistenz der Lithiumionenmigrationsgeschwindigkeit und der Elektronentransmissionsrate während des Schnellladens eine größere Polarisation auf. Um die durch die Batteriepolarisation verursachte negative Reaktion zu minimieren, sind die folgenden drei Punkte die Richtung der Elektrolytforschung und -entwicklung: 1. Elektrolytsalz mit hohem Dissoziationsgrad; 2. Lösungsmittelrekombination - niedrigere Viskosität; 3. Impedanz der Schnittstellensteuerungsmembran niedriger.

04 Die Beziehung zwischen Produktionstechnologie und Schnellladung

Zuvor wurden die Anforderungen und Auswirkungen des Schnellladens anhand von drei Schlüsselmaterialien analysiert, z. B. positiven und negativen Elektrodenmaterialien und Elektrodenflüssigkeit. Das Folgende ist ein Prozessdesign, das eine relativ große Auswirkung hat. Die Parameter des Batterieherstellungsprozesses wirken sich direkt auf den Migrationswiderstand von Lithiumionen in verschiedenen Teilen der Batterie vor und nach dem Aktivieren der Batterie aus, sodass die Parameter des Batterieherstellungsprozesses einen wichtigen Einfluss auf die Leistung der Lithiumionenbatterie haben.

(1) Aufschlämmung

In Bezug auf die Eigenschaften der Aufschlämmung besteht ein Aspekt darin, eine gleichmäßige Dispersion des leitenden Mittels aufrechtzuerhalten. Da das leitende Mittel gleichmäßig auf die Partikel des aktiven Materials verteilt ist, kann ein relativ gleichmäßiges leitendes Netzwerk zwischen den aktiven Materialien und zwischen dem aktiven Material und dem Stromkollektor gebildet werden, das die Funktion hat, Mikroströme zu sammeln, den Kontaktwiderstand zu verringern und zu erhöhen die Geschwindigkeit der Elektronen. . Der andere Aspekt besteht darin, die Überdispersion des leitenden Mittels zu verhindern. Während des Lade- und Entladevorgangs ändert sich die Kristallstruktur der positiven und negativen Materialien, was dazu führen kann, dass sich das leitende Mittel ablöst, den Innenwiderstand der Batterie erhöht und die Leistung beeinträchtigt.

(2) Polstückflächendichte

Theoretisch können Ratenbatterien und Hochleistungsbatterien nicht beides haben. Wenn die Oberflächendichte der positiven und negativen Polstücke niedrig ist, kann die Diffusionsrate von Lithiumionen erhöht und der Widerstand der Ionen- und Elektronenmigration verringert werden. Je geringer die Flächendichte ist, desto dünner ist das Polstück und desto geringer ist die Änderung der Struktur des Polstücks, die durch das kontinuierliche Einsetzen und Extrahieren von Lithiumionen während des Ladens und Entladens verursacht wird. Wenn jedoch die Flächendichte zu niedrig ist, wird die Energiedichte der Batterie verringert und die Kosten steigen, so dass eine umfassende Berücksichtigung der Flächendichte erforderlich ist. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für das Laden und Entladen von Lithium-Kobaltoxid-Batterien bei 6C und 1C.

(3) Konsistenz der Polstückbeschichtung

Ein Freund fragte zuvor, ob die inkonsistente Oberflächendichte der Pole die Batterie beeinflusst. Für eine schnelle Ladeleistung ist es übrigens hauptsächlich die Konsistenz des negativen Polstücks. Wenn die Oberflächendichte der negativen Elektrode nach dem Walzen inkonsistent ist, ist die innere Porosität des aktiven Materials sehr unterschiedlich. Der Unterschied in der Porosität verursacht den Unterschied in der internen Stromverteilung, beeinflusst die Bildung und Leistung von SEI in der Batteriebildungsstufe und beeinflusst letztendlich die Schnellladeleistung der Batterie.

(4) Verdichtungsdichte des Polstücks

Warum sollte das Polstück verdichtet werden? Eine besteht darin, die spezifische Energie der Batterie zu erhöhen, und die andere darin, die Batterieleistung zu verbessern. Unterschiedliche Elektrodenmaterialien haben unterschiedliche optimale Verdichtungsdichten. Je kleiner die Porosität des Elektrodenpolstücks ist, desto enger ist die Verbindung zwischen den Partikeln und desto kleiner ist die Dicke des Polstücks bei gleicher Flächendichte, wodurch der Migrationsweg der Lithiumionen verringert wird. Wenn die Verdichtungsdichte zu hoch ist, ist der Elektrolytinfiltrationseffekt nicht gut, was die Materialstruktur und die Verteilung der leitfähigen Mittel beschädigen kann, und Wicklungsprobleme treten später auf. Das gleiche gilt für die 6C-Ladung der 1C-Entladung der Lithium-Kobaltoxid-Batterie. Der Einfluss der Verdichtungsdichte auf die spezifische Entladungskapazität ist wie folgt:

05 Chemische Alterung und andere

Bei Kohlenstoffanodenbatterien ist die Alterung der Formation ein Schlüsselprozess für Lithiumbatterien, und dieser Prozess beeinflusst die Qualität von SEI. Die ungleichmäßige Dicke oder instabile Struktur des SEI wirkt sich auf die Schnellladekapazität und die Lebensdauer des Akkus aus.

Zusätzlich zu den oben genannten wichtigen Faktoren haben die Zellproduktions- und Lade- und Entladesysteme einen größeren Einfluss auf die Leistung von Lithiumbatterien. Wenn die Nutzungsdauer verlängert wird, sollte die Laderate des Akkus moderat reduziert werden, da sonst die Polarisation erhöht wird.

Fazit

Das Wesen des schnellen Ladens und Entladens von Lithiumbatterien besteht darin, dass Lithiumionen schnell zwischen den positiven und negativen Materialien extrahiert werden können. Die Eigenschaften des Batteriematerials, das Prozessdesign sowie das Lade- und Entladesystem wirken sich auf die Hochstrom-Ladeleistung aus. Die strukturelle Stabilität der positiven und negativen Elektrodenmaterialien verursacht keinen strukturellen Zusammenbruch während des schnellen Lithiumentfernungsprozesses, und die Lithiumionen diffundieren schneller in das Material, um einer Hochstromladung standzuhalten. Aufgrund der Nichtübereinstimmung zwischen Ionenmigrationsgeschwindigkeit und Elektronentransmissionsrate tritt beim Laden und Entladen eine Polarisation auf. Es ist notwendig, die Polarisation so weit wie möglich zu reduzieren, um die Ausfällung von Lithiummetall zu verhindern und die Fähigkeit zu verringern, die Lebensdauer zu beeinträchtigen.